JP6563163B1 - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
Description
以下、実施の形態1に係る電力変換装置について図を用いて説明する。
図1は、実施の形態1に係る電力変換装置の主回路構成の一例を示す図である。なお、変換器セルが直列に接続された回路構成としては、一般に、カスケード変換器、MMC(Modular Multilevel Converter、モジュラーマルチレベル変換器)、チェーン接続変換器等と呼ばれる。要は直列に接続した変換器である。なお、変換器セルは、後述するが、2つ以上の半導体素子と1つ以上のエネルギー蓄積要素から構成されると定義する。
図において、スイッチング素子1aの低電位側とスイッチング素子1bの高電位側とが直列に接続され、ブリッジを構成している。コンデンサ2は、スイッチング素子1aの高電位側とスイッチング素子1bの低電位側とに接続され、電力変換装置の動作に応じて直流エネルギーの蓄積、供給を行う。コンデンサ2の正端子とスイッチング素子1aの高電位端子とは高電位側の主回路導体3aにより接続され、コンデンサ2の負端子とスイッチング素子1bの低電位側とは低電位側の主回路導体3bによって接続される。セル変換器100aの外部端子X1は隣り合うセル変換器100bの外部端子X2と筐体外部の導体等で電気的に接続され、セル変換器100aの外部端子X2は隣り合うセル変換器100cの外部端子X1と筐体外部の導体等で電気的に接続される。これらによりセル変換器100a〜100cは直列に接続された状態となり、図1に示された電力変換装置であるマルチレベル変換器が構成される。
このようにバイパス部4に耐電流能力を超える過電流が流れた場合、バイパス部4が破損してその後の確実な開閉動作が出来なくなり、電力変換装置としての運転の継続を保障することが出来ないことになる。
外部端子X1、X2は筐体200の前面に取り付けられる。外部端子X1に接続された第1の外部出力導体5aは筐体200の奥行方向に延びてスイッチング素子1aとスイッチング素子1bとの接続点(図示せず)を介して主回路導体3aと接続される。外部端子X2に接続された第2の外部出力導体5bは筐体200の奥行方向に延びて主回路導体3bと接続される。第1の外部出力導体5aは高電位、第2の外部出力導体5bは低電位であり、電流の向きが逆であり、互いに垂直方向において対向するように配置される。
第1のバイパス接続導体6aは一端が第1の外部出力導体5aの途中に接続され、他端がバイパス部4の高電位側に接続される。第2のバイパス接続導体6bは一端が第2の外部出力導体5bの途中に接続され、他端がバイパス部4の低電位側に接続される。第1のバイパス接続導体6aと第2のバイパス接続導体6bとは電流の向きが逆であり、互いに水平方向において対向するように配置される。
1)モード1:外部端子X1から電流が入力されスイッチング素子1bをオンした場合
図6Aの実線及び矢印で示すように、電流は第1の外部出力導体5a、スイッチング素子1b、第2の外部出力導体5bの順に通過して外部端子X2から出力される。
2)モード2:外部端子X1から電流が入力されスイッチング素子1bをオンしない場合
図6Bの実線及び矢印で示すように、電流は第1の外部出力導体5a、スイッチング素子1aのダイオード部、主回路導体3a、コンデンサ2、主回路導体3b、第2の外部出力導体5bの順に通過して外部端子X2から出力される。
3)モード3:外部端子X2から電流が入力されスイッチング素子1aをオンした場合
図6Cの実線及び矢印で示すように、電流は第2の外部出力導体5b、主回路導体3b、コンデンサ2、主回路導体3a、スイッチング素子1a、第1の外部出力導体5aの順に通過して外部端子X1から出力される。
4)モード4:外部端子X2から電流が入力されスイッチング素子1aをオンしない場合
図6Dの実線及び矢印で示すように、電流は第2の外部出力導体5b、スイッチング素子1bのダイオード部、第1の外部出力導体5aの順に通過して外部端子X1から出力される。
5)モード5:電流は外部端子X1から入力され、第1の外部出力導体5a、第1のバイパス接続導体6a、バイパス部4、第2のバイパス接続導体6b、第2の外部出力導体5bの順に通過して外部端子X2から出力される。
6)モード6:電流は外部端子X2から入力され、第2の外部出力導体5b、第2のバイパス接続導体6b、バイパス部4、第1のバイパス接続導体6a、第1の外部出力導体5aの順に通過して外部端子X1から出力される(モード5の電流の向きが逆方向)。
7)モード7:コンデンサ2、主回路導体3a、スイッチング素子1a、第1の外部出力導体5a、第1のバイパス接続導体6a、バイパス部4、第2のバイパス接続導体6b、第2の外部出力導体5b、主回路導体3b、コンデンサ2の順に循環する。
図7は本実施の形態による外部出力導体のセル変換器中の配置を示した概略図で、図5の前方斜め上方向から見た、すなわち図5A中、図5B中のそれぞれ矢印のA方向から見た斜視図である。
以下の実施の形態1に係る第1の外部出力導体5a及び第2の外部出力導体5bを説明する図8A〜8Gにおいては、図7の第1の外部出力導体5a及び第2の外部出力導体5bをそれぞれx方向の矢印xa、xbの方向に展開した概略平面図(上面図)として説明する。
図において、第1の外部出力導体5aは折曲形状導体7aで構成され、第2の外部出力導体5bが折曲形状導体7bで構成されている。第1の外部出力導体5aの一端は外部端子X1に接続され、他端は主回路導体3aに接続され、途中で第1のバイパス接続導体6aの一端に接続され、第1のバイパス接続導体6aの他端はバイパス部4の高電位側に接続されている。第2の外部出力導体5bの一端は外部端子X2に接続され、他は主回路導体3bに接続され、途中で第2のバイパス接続導体6bの一端に接続され、第2のバイパス接続導体6bの他端はバイパス部4の低電位側に接続されている。
まず、図8Gにおいては、第1の外部出力導体105a、第2の外部出力導体105bが直線形状であり、第1のバイパス接続導体106aと主回路導体103a、第2のバイパス接続導体106bと主回路導体103bとの接続が最短である。そのため、第1の外部出力導体105aの自己インダクタンス(Lc0)と第2の外部出力導体105bの自己インダクタンス(Ld0)が小さい。また、第1の外部出力導体105aと第2の外部出力導体105bは向かい合う配置になっておりその電流は異なる向きの流れになっているため、負の相互インダクタンス(−M)が発生する。合成インダクタンスL0は、次式(1)で表される。
L0=Lc0+Ld0−2M ・・・(1)
L1=Lc1+Ld1+2M ・・・(2)
L1>L0 となることがわかる。
すなわち、従来よりも合成インダクタンスが増加することにより、図4の太線で示した短絡電流は抑制されてからバイパス部4に流れるため、バイパス部4の破損を抑制できる。
このように、第2の方向は第1の方向に対し垂直方向でなくてもよく、所定範囲内の角度で交差するような方向であり、第1の方向に対し垂直方向の成分の同じ電流の向きの成分を有し、屈曲形状を設けることによる電流の成分のうち、電流が同じ方向の成分が逆向きの成分より大きくなるようにすればよい。
実施の形態1では、上述のモード7において、図4の電流経路になる場合に、第1の導体部10aのうち主回路導体3aと第1のバイパス接続導体6aとの接続との間の第1の外部出力導体5aと、第2の導体部10bのうち主回路導体3bと第2のバイパス接続導体6bとの接続との間の第1の外部出力導体5aとに流れる電流の向きが空間的に同じ方向になるような部位を設けるように、第1の外部出力導体5a及び第2の外部出力導体5bの形状とした。本実施の形態2においては、第1の導体部10aのうち第1のバイパス接続導体6aと、第2の導体部10bのうち第2のバイパス接続導体6bとに流れる電流の向きが空間的に同じ方向になるような部位を設けるように、第1のバイパス接続導体6a及び第2のバイパス接続導体6bの形状を屈曲形状とした。屈曲形状は、実施の形態1と同様に、折れ線状に屈曲された折曲形状及び曲線状に屈曲された湾曲形状を含む。
まず、図9Gにおいては、第1のバイパス接続導体106a、第2のバイパス接続導体106bが直線形状であり、第1の外部出力導体105a、第2の外部出力導体105bとバイパス部104との接続が最短である。そのため、第1のバイパス接続導体106aの自己インダクタンス(La0)と第2のバイパス接続導体106bの自己インダクタンス(Lb0)が小さい。また、第1のバイパス接続導体106aと第2のバイパス接続導体106bは向かい合う配置になっておりその電流は異なる向きの流れになっているため、負の相互インダクタンス(−M)が発生する。合成インダクタンスLbp0は、次式(3)で表される。
Lbp0=La0+Lb0−2M ・・・(3)
Lbp1=La1+Lb1+2M ・・・(4)
Lbp1>Lbp0 となることがわかる。
すなわち、従来よりも合成インダクタンスが増加することにより、図4の太線で示した短絡電流は抑制されてからバイパス部4に流れるため、バイパス部4の破損を抑制できる
このように、実施の形態2においても、第2の方向は第1の方向に対し垂直方向でなくてもよく、所定範囲内の角度で交差するような方向であり、第1の方向に対し垂直方向の成分の同じ電流の向きの成分を有し、屈曲形状を設けることによる電流の成分のうち、電流が同じ方向の成分が逆向きの成分より大きくなるようにすればよい。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも1つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも1つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
Claims (10)
- 電力変換を行うセル変換器が複数個直列に接続された電力変換装置であって、
前記各セル変換器は、
スイッチング素子と、
コンデンサと、
前記スイッチング素子と前記コンデンサとを接続する主回路導体と、
他の前記セル変換器に接続する2つの外部端子と、
前記2つの外部端子の間に配置され、バイパス接続されるバイパス部と、
前記2つの外部端子の一方と前記主回路導体及び前記バイパス部とを接続する第1の導体部と、
前記2つの外部端子の他方と前記主回路導体及び前記バイパス部とを接続する第2の導体部とを備え、
前記第1及び第2の導体部は、前記主回路導体から前記バイパス部までの間において、前記主回路導体から前記バイパス部までの経路である第1の方向に対し、前記第1の方向に交差する方向である第2の方向に延伸された部位をそれぞれ有するように屈曲形状で構成され、前記第1の導体部の前記第2の方向に延伸された第1の部位と前記第2の導体部の前記第2の方向に延伸された第2の部位とは、前記第1及び第2の方向と交差する第3の方向において少なくとも一部互いに重なるように設けられ、
前記コンデンサから前記バイパス部へ電流が流れた時に前記第1の部位と前記第2の部位とに同じ向きの電流が流れる、電力変換装置。 - 前記第1の導体部は、
前記2つの外部端子の一方の外部端子と前記主回路導体との間を接続する第1の外部出力導体と、
前記第1の外部出力導体と前記バイパス部の一端とを接続する第1のバイパス接続導体とを含み、
前記第2の導体部は、
前記2つの外部端子の他方の外部端子と前記主回路導体との間を接続する第2の外部出力導体と、
前記第2の外部出力導体と前記バイパス部の他端とを接続する第2のバイパス接続導体とを含み、
前記第1の部位は、前記第1のバイパス接続導体に設けられ、
前記第2の部位は、前記第2のバイパス接続導体に設けられた、請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記第1の部位は1つの導体部材である前記第1のバイパス接続導体の一部が折曲されて形成され、前記第2の部位は1つの導体部材である前記第2のバイパス接続導体の一部が折曲されて形成された請求項2に記載の電力変換装置。
- 前記第1の部位は1つの導体部材である前記第1のバイパス接続導体の一部が湾曲されて形成され、前記第2の部位は1つの導体部材である前記第2のバイパス接続導体の一部が湾曲されて形成された請求項2に記載の電力変換装置。
- 前記第1及び第2のバイパス接続導体は、L字形状、S字形状、U字形状、直線形状からなる導体のうちから組み合わされて構成されたことを特徴とする請求項2に記載の電力変換装置。
- 前記第1の導体部は、
前記2つの外部端子の一方の外部端子と前記主回路導体との間を接続する第1の外部出力導体と、
前記第1の外部出力導体と前記バイパス部の一端とを接続する第1のバイパス接続導体とを含み、
前記第2の導体部は、
前記2つの外部端子の他方の外部端子と前記主回路導体との間を接続する第2の外部出力導体と、
前記第2の外部出力導体と前記バイパス部の他端とを接続する第2のバイパス接続導体とを含み、
前記第1の部位は、前記第1の外部出力導体に設けられ、
前記第2の部位は、前記第2の外部出力導体に設けられた、請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記第1の外部出力導体は、前記主回路導体から前記第1のバイパス接続導体との接続部の間においては、1つの導体部材で構成され、前記第1の部位は1つの導体部材である前記第1のバイパス接続導体の一部が折曲されて形成され、
前記第2の外部出力導体は、前記主回路導体から前記第2のバイパス接続導体との接続部の間においては、1つの導体部材で構成され、前記第2の部位は1つの導体部材である前記第2のバイパス接続導体の一部が折曲されて形成された請求項6に記載の電力変換装置。 - 前記第1の外部出力導体は、前記主回路導体から前記第1のバイパス接続導体との接続部の間においては、1つの導体部材で構成され、前記第1の部位は1つの導体部材である前記第1のバイパス接続導体の一部が湾曲されて形成され、
前記第2の外部出力導体は、前記主回路導体から前記第2のバイパス接続導体との接続部の間においては、1つの導体部材で構成され、前記第2の部位は1つの導体部材である前記第2のバイパス接続導体の一部が湾曲されて形成された請求項6に記載の電力変換装置。 - 前記第1及び第2の外部出力導体は、L字形状、S字形状、U字形状、直線形状からなる導体のうちから組み合わされて構成されたことを特徴とする請求項6に記載の電力変換装置。
- 前記第1の部位は前記第3の方向に平行な第1の面を有し、
前記第2の部位は前記第3の方向に平行な第2の面を有する、請求項1から9のいずれか一項に記載の電力変換装置。
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